單片機(jī)溫濕度畢業(yè)設(shè)計

1、<p>　　本科畢業(yè)論文（設(shè)計）</p><p>　　基于單片機(jī)蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 </p><p>　中工信商2014-XX16-</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，是對蔬菜大棚內(nèi)環(huán)境溫濕度的實(shí)時監(jiān)測。進(jìn)行環(huán)境溫濕度監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動化、科

2、學(xué)化的基本保證，通過對檢測到溫濕度數(shù)據(jù)的分析，并結(jié)合蔬菜生長發(fā)育規(guī)律來進(jìn)一步控制環(huán)境條件，使某些蔬菜在不適宜的反季中可獲得比大棚外生長更優(yōu)的環(huán)境條件，達(dá)到蔬菜優(yōu)質(zhì)、高效以及高產(chǎn)的栽培目的。</p><p>　　本設(shè)計是基于STC12C5A60S2單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，采用DHT11作為溫濕度傳感器，使用LCD Nokia5110液晶屏進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時顯示，監(jiān)測到的溫濕度數(shù)據(jù)通過西門子TC35 GSM模

3、塊發(fā)送至上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)。同時，對整個監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計原理和實(shí)現(xiàn)方法作詳細(xì)介紹。</p><p>　　關(guān)鍵字：STC12C5A60S2單片機(jī)，TC35，DHT11，溫濕度監(jiān)測</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Vegetable greenhouse temperature and humidity monit

4、oring system, it is for the real-time monitoring of environmental temperature and humidity in the vegetable greenhouses.Of environmental temperature and humidity monitoring greenhouse production management is to realize

5、the automation, the basic guarantee for the scientific, through the analysis of the temperature and humidity data detected, and combining the vegetable growth development pattern to further control the environment condit

6、ion, make</p><p>　　This design is based on STC12C5A60S2 MCU vegetable greenhouse temperature and humidity control system, using DHT11 as temperature and humidity sensor, using Nokia5110 LCD real-time display

7、 of temperature and humidity data, monitoring the temperature and humidity data sent via Siemens TC35 GSM module first place machine monitoring system.At the same time, the whole monitoring system design principle and im

8、plementation method in detail.</p><p>　　Keywords：STC12C5A60S2MCU, TC35, DHT11, temperature and humidity monitoring</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b><

9、;/p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　1.1 設(shè)計目的和意義1</p><p>　　1.2 選題背景及發(fā)展趨勢1</p><p>　　1.3 研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題3</p><p&

10、gt;　　1.3.1 本設(shè)計主要研究內(nèi)容3</p><p>　　1.3.2 本設(shè)計擬解決的主要問題3</p><p>　　2 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計5</p><p>　　2.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計5</p><p>　　2.2 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)要求5</p><p>　　2.3 溫濕度系統(tǒng)

11、方案論證選擇5</p><p>　　2.3.1 主控芯片方案選擇5</p><p>　　2.3.2 傳感器模塊方案選擇6</p><p>　　2.3.3 通信模塊方案選擇6</p><p>　　2.3.4 顯示模塊方案選擇6</p><p>　　2.3.5 鍵盤模塊方案選擇7</p>

12、<p>　　3 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路設(shè)計8</p><p>　　3.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)總體研究8</p><p>　　3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計9</p><p>　　3.3 顯示模塊電路設(shè)計10</p><p>　　3.4 溫濕度傳感器電路設(shè)計11</p><p>　　3

13、.5 時鐘電路設(shè)計11</p><p>　　3.6 報警電路設(shè)計12</p><p>　　3.7 鍵盤電路設(shè)計13</p><p>　　3.8 串口通信電路設(shè)計13</p><p>　　3.8.1 TC35串口通信電路設(shè)計14</p><p>　　3.8.2 PC機(jī)串口通信電路設(shè)計14</

14、p><p>　　3.9 系統(tǒng)電源電路設(shè)計15</p><p>　　4 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計16</p><p>　　4.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)總體研究16</p><p>　　4.2 顯示單元軟件設(shè)計17</p><p>　　4.3 溫濕度傳感器單元軟件設(shè)計18</p><p&

15、gt;　　4.4 通信單元軟件設(shè)計21</p><p>　　4.4.1 通信協(xié)議設(shè)計21</p><p>　　4.4.2 TC35發(fā)送接收信息軟件設(shè)計22</p><p>　　4.5 時鐘單元軟件設(shè)計23</p><p>　　4.6 鍵盤單元軟件設(shè)計24</p><p>　　5 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試

16、26</p><p>　　5.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)硬件裝配26</p><p>　　5.1.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計環(huán)境26</p><p>　　5.1.2 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)整機(jī)裝配28</p><p>　　5.2 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件調(diào)試30</p><p>　　5.2.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境

17、30</p><p>　　5.2.2 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件總調(diào)31</p><p><b>　　6 結(jié)論33</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)34</b></p><p><b>　　致謝35</b></p><p><b&

18、gt;　　附錄36</b></p><p>　　附錄一 蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)原理圖36</p><p>　　附錄二 蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件源程序37</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　1.1 設(shè)計目的和意義</p><p>　　隨著農(nóng)

19、業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大和大棚技術(shù)的不斷普及，蔬菜大棚數(shù)量不斷增多，溫濕度控制是蔬菜大棚一個重要的控制環(huán)節(jié)。農(nóng)作物的生長都是在一定的環(huán)境中進(jìn)行的，其在生長過程中會受到環(huán)境中各種因素的影響，其中對植物生長影響最大的兩個指標(biāo)是環(huán)境的溫度和濕度。環(huán)境晝夜的濕度和溫度變化較大，其對植物生長極其不利。因此必須對環(huán)境的溫濕度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和控制，使其適合農(nóng)作物的生長，提高其質(zhì)量和產(chǎn)量。溫度太低，蔬菜就會被凍死，濕度太低，蔬菜就會停止生長，所以要將溫度和濕度

20、控制在適合蔬菜生長的范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的溫度控制是在溫室大棚內(nèi)部懸掛一個溫度計，由人工讀取溫度值來調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度。如果僅依靠人工來控制，既耗人力，又容易出差錯?，F(xiàn)在隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測控制措施表現(xiàn)出極大的局限性。因此在現(xiàn)代化的蔬菜大棚管理中，通常有溫度濕度自動監(jiān)測控制系統(tǒng)，來實(shí)時監(jiān)測控制溫室大棚溫度濕度，適應(yīng)生產(chǎn)需要。本次畢業(yè)設(shè)計了基于單片機(jī)STC 12C5A60S2和溫濕度傳感器DHT11采集數(shù)據(jù)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。

21、</p><p>　　1.2 選題背景及發(fā)展趨勢</p><p>　　溫室是一種可以改變植物生長環(huán)境、為農(nóng)作物生長創(chuàng)造最佳條件、避免外界惡劣氣候和四季變化對其影響的場所。它以采光覆蓋材料作為全部或部分結(jié)構(gòu)材料，可在冬季或其它不適宜陸地農(nóng)作物生長的季節(jié)栽培植物。溫室生產(chǎn)以達(dá)到調(diào)節(jié)產(chǎn)期，促進(jìn)農(nóng)作物生長發(fā)育，防治病蟲害及提高產(chǎn)量、質(zhì)量等為目的。而溫室設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)是環(huán)境監(jiān)測和控制，該技術(shù)的最終

22、目標(biāo)是提高作業(yè)與控制精度。</p><p>　　國外對溫室環(huán)境控制技術(shù)研究較早，始于20世紀(jì)70年代。先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場信息并進(jìn)行指示、記錄和控制。80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)。目前正開發(fā)和研制計算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在世界各國的溫室控制技術(shù)發(fā)展很快，一些國家在實(shí)現(xiàn)自動化的基礎(chǔ)上正向著完全自動化、無人化的方向發(fā)展[1]。</p><p>　　美國是最

23、早發(fā)明計算機(jī)的國家，也是最早將計算機(jī)應(yīng)用于溫室管理和控制、最多的國家之一。美國擁有發(fā)達(dá)的設(shè)施栽培技術(shù)，綜合環(huán)境控制技術(shù)水平非常高。環(huán)境控制計算機(jī)主要用來對溫室環(huán)境(氣象環(huán)境和栽培環(huán)境)進(jìn)行監(jiān)測和控制。以花卉溫室為例，溫室內(nèi)監(jiān)控項(xiàng)目包括室內(nèi)水溫、氣溫、土壤溫度、管道溫度、鍋爐溫度、保溫幕狀況、相對空氣濕度、泵的工作狀況、通窗狀況、CO2濃度、Ec調(diào)節(jié)池與回流管數(shù)值、pH調(diào)節(jié)池與回流管數(shù)值；室外監(jiān)控項(xiàng)目包括太陽輻射強(qiáng)度、大氣溫度、相對濕度、

24、風(fēng)向風(fēng)速等。溫室專家系統(tǒng)的應(yīng)用給種植者帶來了許多經(jīng)濟(jì)效益，提高了決策水平，減輕了技術(shù)管理工作量，同時也為種植帶來了很大方便。</p><p>　　以園藝業(yè)著稱的荷蘭從20世紀(jì)80年代以來就開始全面開發(fā)溫室計算機(jī)自動控制系統(tǒng)，并積極的開發(fā)模擬控制軟件。目前，荷蘭自動化智能玻璃溫室制造水平處于世界先進(jìn)水平，擁有玻璃溫室1.2萬多平方米，占世界1/4以上，有85％的溫室用戶使用計算機(jī)控制溫室環(huán)境。荷蘭開發(fā)的溫室計算機(jī)控

25、制系統(tǒng)是通過人機(jī)交互界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和必要的信息顯示，可繪制出修正值曲線、設(shè)定參數(shù)曲線以及測量數(shù)據(jù)曲線，可以從數(shù)據(jù)庫內(nèi)調(diào)出設(shè)定的時間段內(nèi)參數(shù)以便于必要的數(shù)據(jù)查詢，并可以直接對計算機(jī)串口進(jìn)行設(shè)置，完成下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信。上位機(jī)軟件集信息顯示、參數(shù)設(shè)置、控制監(jiān)測等功能于一體，同時還能夠很好地完成氣候的控制、溫室灌溉和管理。</p><p>　　此外，國外溫室業(yè)正致力于向高科技方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遙測技術(shù)、控制局

26、域網(wǎng)已逐漸應(yīng)用于溫室管理和控制中[2]?？刂埔竽茉谶h(yuǎn)離溫室的計算機(jī)控制室就能完成，即遠(yuǎn)程控制。另外該網(wǎng)絡(luò)還連接有幾個通訊平臺，用戶可以在遙遠(yuǎn)的地方通過直觀的圖形化界面與這種分布式的控制系統(tǒng)通信，就像在現(xiàn)場操作一樣，給人一種身臨其境的感覺。</p><p>　　從國內(nèi)外溫室控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r來看，溫室環(huán)境控制技術(shù)大致經(jīng)歷了三個發(fā)展階段。</p><p>　?。?）手動控制：這是在溫室控制技

27、術(shù)發(fā)展初期所采取的控制手段，其實(shí)并沒有真正意義上的控制系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。生產(chǎn)一線的種植者既是溫室環(huán)境的傳感器，又是對溫室作物進(jìn)行管理的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，他們是溫室環(huán)境控制的核心，通過對溫室內(nèi)外的氣候的狀況和對農(nóng)作物生長的狀況進(jìn)行觀測，憑借長期積累的經(jīng)驗(yàn)和直覺推測及判斷，手動調(diào)節(jié)溫室內(nèi)環(huán)境。種植者采用手動控制方式，對于作物生長狀況的反應(yīng)是最直接，最迅速且最有效的，它符合傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)規(guī)律。但這種控制方式的勞動生產(chǎn)率較低，不適合工業(yè)化農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)需要，

28、而且對種植者的素質(zhì)要求較高[3]。</p><p>　?。?）自動控制：這種控制系統(tǒng)需要種植者輸入溫室作物生長所需環(huán)境的目標(biāo)參數(shù)，計算機(jī)根據(jù)傳感器實(shí)際的測量值與事先設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，來決定溫室環(huán)境因子的控制過程，控制相應(yīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行降溫、通風(fēng)和加溫等操作。計算機(jī)自動控制的溫室控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的自動化，適合規(guī)模化生產(chǎn)，同時勞動生產(chǎn)率也得到了提高。通過改變溫室環(huán)境設(shè)定目標(biāo)參數(shù)，可以自動的進(jìn)行溫室內(nèi)環(huán)境氣候調(diào)節(jié)，但是這

29、種控制方式對作物生產(chǎn)狀況的改變難以及時做出反應(yīng)[3]，難以介入作物生長的內(nèi)在規(guī)律。目前國內(nèi)絕大部分自主研發(fā)的大型現(xiàn)代化溫室及引進(jìn)的國外設(shè)備都屬于這種控制方式。</p><p>　?。?）智能化控制：這是溫度自動控制技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，通過總結(jié)，收集農(nóng)業(yè)領(lǐng)域知識、技術(shù)和各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建專家系統(tǒng)，以建立作物生長的數(shù)學(xué)模型為理論依據(jù)，研究開發(fā)出的一種適合不同農(nóng)作物生長的溫室專家控制系統(tǒng)技術(shù)。溫室控制技術(shù)沿著手動、自

30、動、智能化控制的生產(chǎn)進(jìn)程，向著越來越先進(jìn)的，功能越來越完備的方向發(fā)展。由此可見，溫室環(huán)境控制朝著基于作物生長模型，溫室綜合環(huán)境因子分析模型和農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的溫室信息自動采集及智能控制趨勢發(fā)展[3]。</p><p>　　通過研究國內(nèi)外的溫室控制技術(shù)可以更深刻的理解畢業(yè)設(shè)計的具體設(shè)計思路和方法，可以在更短的時間內(nèi)高效率完成畢業(yè)設(shè)計。</p><p>　　1.3 研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問

31、題</p><p>　　1.3.1 本設(shè)計主要研究內(nèi)容</p><p>　　設(shè)計系統(tǒng)主要由單片機(jī)、溫濕度傳感器、顯示模塊、GSM通信模塊以及鍵盤組成。用戶可以先設(shè)定溫濕度的上限和下限，溫濕度傳感器監(jiān)測值傳給單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)監(jiān)測到的數(shù)值超過所設(shè)定值時，單片機(jī)就會通過GSM模塊向上位機(jī)發(fā)送當(dāng)前溫濕度值，并響應(yīng)報警電路啟動相對應(yīng)的溫濕度控制設(shè)備。系統(tǒng)自動啟動執(zhí)行調(diào)節(jié)大棚濕度和溫度狀態(tài)，直到溫濕

32、度狀態(tài)處于用戶所設(shè)定的值。如果有預(yù)置初值與當(dāng)前狀態(tài)不相等時，系統(tǒng)會觸發(fā)報警裝置，直到大棚溫濕度值和用戶所設(shè)值相等為止。其中下位機(jī)系統(tǒng)可以自動接收上位機(jī)發(fā)送過來的溫濕度設(shè)定值信息，通過單片機(jī)解析所接收到的數(shù)據(jù)短信來修改當(dāng)前設(shè)定值。下位機(jī)檢測系統(tǒng)每小時向上位機(jī)發(fā)送一次當(dāng)前檢測到的溫濕度數(shù)據(jù)值，上位機(jī)收到下位機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息時進(jìn)行分析存儲，并且描繪相應(yīng)溫濕度趨勢線。</p><p>　　在研究設(shè)計的過程中充分考慮到

33、性價比和精度，在選用低價格、通用元件的的基礎(chǔ)上，盡量滿足設(shè)計要求，并使系統(tǒng)具有高的精度。本控制系統(tǒng)以單片機(jī)的控制為核心，實(shí)時監(jiān)測環(huán)境的溫度和濕度，并設(shè)定了這兩個參數(shù)的上下限定值，并具有相應(yīng)的報警系統(tǒng)，當(dāng)超過設(shè)定的限定值時，單片機(jī)控制報警系統(tǒng)進(jìn)行報警，而且同時驅(qū)動繼電器打開相應(yīng)的開關(guān)使相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行。</p><p>　　1.3.2 本設(shè)計擬解決的主要問題</p><p>　　植物的生

34、長都是在一定的溫濕度環(huán)境中的，蔬菜大棚為現(xiàn)代蔬菜種植提供了新的生產(chǎn)環(huán)境，并取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)。它可以提高產(chǎn)業(yè)化水平，提高農(nóng)民收入和提高抵御自然災(zāi)害能力，延長作物生長時間，提高作物產(chǎn)量。對于農(nóng)作物來說，濕度和溫度是兩個非常重要的條件。所以能夠監(jiān)控溫度和濕度對農(nóng)業(yè)大棚的生產(chǎn)有著十分重要的意義。</p><p>　　溫度、濕度是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要環(huán)境參數(shù)，對其進(jìn)行適時準(zhǔn)確的測量具有重要意義。溫室溫濕度測控系統(tǒng)是對溫

35、室環(huán)境因素（溫度、濕度）進(jìn)行相應(yīng)地修正或調(diào)整，使植物生長處于最佳或相對最佳的生長環(huán)境條件中。而當(dāng)今大多數(shù)對溫室溫度與濕度的控制采用人工管理，這不但大大增加了成本，浪費(fèi)人力資源，而且很難達(dá)到希望的成效。在溫室中，溫度和濕度很大程度影響著植物的生長發(fā)育。適合的溫濕度促進(jìn)植物的生長發(fā)育，而不合適的溫濕度不但對植物生長是不利的，還會增加病蟲害。溫室是一個比較密閉的環(huán)境，其溫濕度條件與露天有很大不同。長期密閉或灌溉不當(dāng)可能造成溫濕度的不當(dāng)，從而對

36、作物生長不利還會增加病蟲害。隨著傳感器的發(fā)展,可以利用傳感器將溫度和相對濕度非電信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號,從而便于測控,這種方法省力、耗能小、準(zhǔn)確,能在空氣中溫濕度不合理時采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，解決了人工檢測的不準(zhǔn)確性和經(jīng)驗(yàn)性。</p><p>　　2 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計</p><p>　　2.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　在現(xiàn)實(shí)生活中，溫度和濕

37、度的測量在紡織工業(yè)、農(nóng)業(yè)、化工、林業(yè)、各種軍用、民用庫房以及氣象和模擬人工氣侯環(huán)境中都有著廣泛的應(yīng)用。因此能否有效地對這些領(lǐng)域的環(huán)境溫度和濕度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，是一個必須解決的重要課題。采用適宜的溫度、濕度傳感器構(gòu)成監(jiān)測系統(tǒng)裝置是一種較好的解決方案。為此，利用適當(dāng)?shù)目刂茊卧O(shè)計一個溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)來對蔬菜大棚溫濕度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，其基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。</p><p>　　圖 2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p>

38、<p>　　2.2 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)要求</p><p>　　蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)具體要求有一下幾點(diǎn)：</p><p>　?。?）檢測范圍：濕度范圍為20～90%RH，溫度范圍為0～+50℃；</p><p>　　（2）檢測精度：濕度測量精度可達(dá)±5%，溫度測量精度可達(dá)±2℃；</p><p>

39、;　?。?）實(shí)時顯示功能，有過限報警功能，有溫濕度上下限報警設(shè)定功能；</p><p>　　（4）基于GSM模塊數(shù)據(jù)信息實(shí)時傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)與上位機(jī)串行通信功能。</p><p>　　2.3 溫濕度系統(tǒng)方案論證選擇</p><p>　　2.3.1 主控芯片方案選擇</p><p>　　方案一：采用FPGA。FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）是專用

40、集成電路（ASIC）中集成度最高的一種，它是當(dāng)今研究的熱門領(lǐng)域。但其性價比低，引腳太多外圍電路太復(fù)雜，不適合手工焊接。</p><p>　　方案二：采用PLC作為主控制器。使用PLC的最大優(yōu)點(diǎn)在于PLC使用梯形圖進(jìn)行編程，編程語言形象直觀，難度較低，因此開發(fā)周期短，便于擴(kuò)展。而且PLC抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定可靠，這一點(diǎn)已被長期的工業(yè)控制實(shí)踐所證明。雖編程簡單方便，但其靈活性相比C語言較差，價格方面比較昂貴。<

41、;/p><p>　　方案三：采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制器。單片機(jī)可以用C語言進(jìn)行編程，由于它支持ISP在線編程，因此可以通過RS232串口將程序燒錄到單片機(jī)中，十分方便。溫濕度傳感器DHT11通過單總線與單片機(jī)連接。編程靈活方便，價格低廉。</p><p>　　綜合以上三種方案，選擇方案三，采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控模塊。</p><p&g

42、t;　　2.3.2 傳感器模塊方案選擇</p><p>　　方案一：采用分立溫濕度傳感器。分別采用溫度傳感器和濕度傳感器，致使外圍電路復(fù)雜，且采集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)較為復(fù)雜，給程序帶來不必要的麻煩。</p><p>　　方案二：采用溫濕度一體傳感器。DHT11溫濕度傳感器集成了溫度和濕度兩個傳感器，采用單總線設(shè)計，外圍接口電路簡單，采集信號為數(shù)字量誤差較小，無需外加A/D轉(zhuǎn)換電路且程序編寫時

43、容易分析。</p><p>　　綜合以上兩種方案，選擇方案二，采用DHT11溫濕度傳感器。</p><p>　　2.3.3 通信模塊方案選擇</p><p>　　方案一：采用紅外收發(fā)模塊。紅外收發(fā)模塊安裝簡單，價格便宜。但信息編碼相對較為復(fù)雜，信息傳輸距離較短，飛鳥、動物、溫度、光線、空氣流動、霧氣、雨雪等環(huán)境因素以及安裝方式、角度、位置等因素都容易引發(fā)誤報。&l

44、t;/p><p>　　方案二：采用藍(lán)牙收發(fā)模塊。藍(lán)牙模塊傳輸速率高，功耗低、通訊安全性好，支持語音傳輸，價格低廉且組網(wǎng)簡單方便。但其容易受溫度濕度等環(huán)境因素影響，傳輸距離較短穿越障礙物能力差。</p><p>　　方案三：采用GSM模塊。西門子TC35是工業(yè)級的GSM模塊，技術(shù)成熟功能強(qiáng)大，編程方便穩(wěn)定，在有蜂窩網(wǎng)的情況下不受距離限制，可與上位機(jī)、用戶等多個終端通信。</p>&

45、lt;p>　　綜合以上三個方案，選擇方案三，采用西門子TC35GSM模塊作為通信模塊。</p><p>　　2.3.4 顯示模塊方案選擇</p><p>　　方案一：采用數(shù)碼管顯示。價格雖便宜，但由于本設(shè)計需要顯示溫濕度信息，采用數(shù)碼管無法顯示。</p><p>　　方案二：采用8位LED點(diǎn)陣顯示。LED點(diǎn)陣顯示雖然能顯示字符和數(shù)字，但顯示效果不好，且不易編

46、程。</p><p>　　方案三：采用LCD顯示。Nokia5110LCD不但能顯示字符和數(shù)字，而且還能顯示中文漢字，顯示效果較好，外圍電路及接口簡單，容易編程實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　綜合以上三種方案，選擇方案三，采用Nokia5110LCD作為顯示模塊。</p><p>　　2.3.5 鍵盤模塊方案選擇</p><p>　　方案一：采

47、用矩陣按鍵。按鍵數(shù)較多適合較復(fù)雜的輸入系統(tǒng)，且外圍電路焊接復(fù)雜。而本設(shè)計無需太多按鍵。</p><p>　　方案二：采用獨(dú)立按鍵。外圍電路較簡單，容易編程，價格低廉。</p><p>　　綜合以上兩種方案，選擇方案二，采用獨(dú)立按鍵模塊。</p><p>　　3 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路設(shè)計</p><p>　　3.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

48、總體研究</p><p>　　硬件電路是蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的核心器件，是整個系統(tǒng)的靈魂載體，硬件和軟件相輔相成構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。整個系統(tǒng)系統(tǒng)的好壞有一大部分取決于硬件電路，若是硬件電路選材設(shè)計不合理或者配置低，往往會約束軟件開發(fā)的豐富性或是增加開發(fā)難度，因此系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)電路設(shè)計開發(fā)有一定的難度，比如模擬電路和數(shù)字電路之間的共地問題，系統(tǒng)硬件電路熱電區(qū)的保護(hù)措施，PCB板設(shè)計時添加抗干擾功能等等，都要考慮周全

49、面面俱到。</p><p>　　蔬菜溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)總體硬件電路選材已在第二章中詳細(xì)論述到，接下來是再次圍繞系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能設(shè)計各模塊電路，無縫的結(jié)合到一起就構(gòu)成系統(tǒng)整體電路。本次畢業(yè)設(shè)計整體是以溫濕度為研究設(shè)計核心，結(jié)合本科兩年所學(xué)的課程綜合自身所學(xué)知識進(jìn)行設(shè)計的。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計涉及到電子技術(shù)中最基礎(chǔ)的知識模電和數(shù)電知識，實(shí)用電源設(shè)計，單片機(jī)基礎(chǔ)與運(yùn)用以及Altium Designer 13應(yīng)用設(shè)計等。<

50、;/p><p>　　系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖3-1所示，通過單片機(jī)讀取溫濕度傳感器采集回的數(shù)據(jù)，實(shí)時顯示到LCD屏幕上，可以在系統(tǒng)監(jiān)測室設(shè)置溫濕度報警限值，再通過相應(yīng)的算法分析傳感器采集回的溫濕度數(shù)據(jù)是否超出限值報警，每隔一個小時單片機(jī)把采集到的數(shù)據(jù)通過GSM模塊發(fā)送給上位機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，同時下位機(jī)軟件有能力接收到上位機(jī)設(shè)置的溫濕度限值進(jìn)行有關(guān)內(nèi)存單元數(shù)據(jù)的修改，最終實(shí)現(xiàn)蔬菜大棚溫濕度實(shí)時監(jiān)測功能。</p&

51、gt;<p>　　圖3-1 系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)原理框圖</p><p>　　3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計</p><p>　　單片機(jī)最小系統(tǒng)是指能維持單片機(jī)運(yùn)行的最簡單配置的應(yīng)用系統(tǒng)，其中單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)、電源電路、時鐘電路和復(fù)位電路，本設(shè)計采用宏晶科技出品MCS-51內(nèi)核的STC12C5A60S2單片機(jī)，單片機(jī)集成功能比一般8位單片機(jī)強(qiáng)大，多樣的外圍電路設(shè)計，如圖3-

52、2所示。</p><p>　　圖3-2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路</p><p>　　時鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時鐘信號，時序所研究的是指令執(zhí)行中各信號之間的相互關(guān)系，單片機(jī)在時鐘信號的節(jié)拍下逐條地執(zhí)行指令。單片機(jī)有兩種時鐘信號產(chǎn)生方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種是外部時鐘方式。外部時鐘方式是把已有的時鐘信號從XTAL1或XTAL2送入單片機(jī)，一般用于有多個單片機(jī)的情況，所以本設(shè)計中時鐘

53、電路采用內(nèi)部時鐘方式，選用11.0592MHz的晶振和兩個22pF的電容與片內(nèi)的高增益反相放大器構(gòu)成一個自激振蕩器，如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 單片機(jī)晶振電路</p><p>　　復(fù)位是通過某種方式使CPU和系統(tǒng)中其它部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，讓PC指向0000H，這樣單片機(jī)才能從頭運(yùn)行程序。單片機(jī)的復(fù)位主要有上電復(fù)位和手動復(fù)位，因此上電的時候

54、就要讓單片機(jī)復(fù)位一次。在運(yùn)行過程中，如果程序出錯，可以進(jìn)行手動復(fù)位。</p><p>　　本設(shè)計中的復(fù)位電路就是采用按鍵復(fù)位電路，該電路還具有上電復(fù)位功能。復(fù)位時要讓STC12C5A60S2的RST引腳得到2個機(jī)器周期以上的高電平。上電復(fù)位是利用電容充電來實(shí)現(xiàn)的，由于電容兩端的電壓不能突變，上電瞬間RST端的電位與Vcc相同，隨著充電的進(jìn)行，RST的電位下降，最后被鉗位在0V，只要保證加在RST引腳上的高電平持續(xù)

55、時間大于2個機(jī)器周期，便能正常復(fù)位。單片機(jī)在程序運(yùn)行過程中如果跑飛了、程序運(yùn)行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，就需要用到手動復(fù)位，只需將按鈕按下，此時電源Vcc經(jīng)電阻R4分壓，在RST端產(chǎn)生一個復(fù)位高電平，如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 單片機(jī)復(fù)位電路</p><p>　　3.3 顯示模塊電路設(shè)計</p><p>　　顯示電路是將單片機(jī)對溫濕度

56、傳感器采集的溫濕度分析后實(shí)時顯示。利用Nokia5110手機(jī)上的屏幕設(shè)計的顯示電路，使用的拆機(jī)LCD屏幕內(nèi)置PHILIPS PCD8544驅(qū)動芯片，其通信協(xié)議是一個沒有MISO只有MOSI的SPI協(xié)議。可以顯示15個漢字，30個字符。顯示模塊外圍電路簡單，只有五個數(shù)據(jù)接口，不會浪費(fèi)單片機(jī)I/O口資源，如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 系統(tǒng)LCD顯示電路</p><p>　　3

57、.4 溫濕度傳感器電路設(shè)計</p><p>　　溫濕度傳感器是本設(shè)計中的核心傳感器，都是圍繞溫濕度測量展開設(shè)計的，本設(shè)計中采用數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11。設(shè)計采用的DHT11傳感器內(nèi)含有已經(jīng)校準(zhǔn)的數(shù)字信號輸出溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感分析技術(shù)，確保傳感器具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個NTC測溫元件和一個電阻式測濕元件，并與一個8位MCU相連，本設(shè)計中采用三個

58、相同的溫濕度傳感器構(gòu)成多點(diǎn)監(jiān)測電路，如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 系統(tǒng)溫濕度傳感器電路</p><p>　　3.5 時鐘電路設(shè)計</p><p>　　時間在本設(shè)計中有較為深刻的意義，無論在系統(tǒng)時間顯示上，還是在通過對時間的判斷來處理溫濕度數(shù)據(jù)上都起著至關(guān)重要的作用。本設(shè)計中采用美國DALLAS公司推出的一種高性能低功耗實(shí)時時鐘芯片DS1307，它

59、是一款I(lǐng)2C總線接口的時鐘日歷芯片采用兩線與單片機(jī)進(jìn)行通信，片內(nèi)含有8個特殊功能寄存器和56Bit的SRAM。具有時、分、秒、年、月、日、星期的計數(shù)功能，并且有12小時制和24小時制的計數(shù)模式，可自動調(diào)整每月天數(shù)和閏年調(diào)整功能，并且具有掉電自動保護(hù)和上電復(fù)位功能。</p><p>　　時鐘電路如圖3-7所示，Y1為外接32.768KHz晶振，為時鐘芯片提供計時脈沖；BT1為時鐘芯片外接備用電池，防止掉電時間數(shù)據(jù)丟

60、失；其中R1、R2為I2C總線上的上拉電阻；DS1307時鐘芯片第7引腳接到單片機(jī)INT1外部中斷1引腳上，每秒都會觸發(fā)外部中斷1，方便時間數(shù)據(jù)的讀??；同時在第三引腳和地線之間加入了3V的紐扣電池，避免了主電源在掉電后時間數(shù)據(jù)復(fù)位丟失。</p><p>　　圖3-7 系統(tǒng)時鐘電路</p><p>　　3.6 報警電路設(shè)計</p><p>　　當(dāng)蔬菜大棚內(nèi)的溫濕度超

61、過上下限時，除了需要啟動溫濕度調(diào)節(jié)器之外，還需要進(jìn)行報警，這里用到的是蜂鳴器。蜂鳴器是一種采用一體化結(jié)構(gòu)的電子器件，分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器。有源蜂鳴器由于內(nèi)部集成了振蕩源，所以使用直流電壓就可以驅(qū)動它鳴叫；無源蜂鳴器內(nèi)部沒有振蕩源，因此一般使用2K～5K方波來驅(qū)動。本設(shè)計中使用的是有源蜂鳴器，在它兩端加載5V的直流電壓就可以使之鳴叫。</p><p>　　報警電路設(shè)計如圖3-8所示，蜂鳴器工作電流一般為10m

62、A，而單片機(jī)的I/O口只能承受幾毫安的電流，因此需要加三極管進(jìn)行驅(qū)動。由直流電壓來供電，采用PNP型8550三極管驅(qū)動，單片機(jī)的I/O口中的P1.5經(jīng)1K電阻接三極管的基極，當(dāng)P1.5為低電平時，三極管導(dǎo)通，5V的電壓加載到蜂鳴器兩端，于是蜂鳴器鳴叫；當(dāng)P1.5高電平時，三極管截至，蜂鳴器不鳴叫。</p><p>　　圖3-8 系統(tǒng)報警電路</p><p>　　3.7 鍵盤電路設(shè)計<

63、;/p><p>　　鍵盤分為編碼式和非編碼式鍵盤。其中，非編碼式鍵盤又包括矩陣式鍵盤和獨(dú)立式鍵盤。矩陣式鍵盤較為復(fù)雜，一般用于按鍵數(shù)目較多，而單片機(jī)可用的I/O口又比較有限時。本設(shè)計中只需要用到4個按鍵，數(shù)目較少，并且可用的I/O口充足，采用了獨(dú)立式鍵盤，一個按鍵對應(yīng)一個單片機(jī)的I/O口管腳。</p><p>　　按鍵設(shè)計采用的是無鎖按鍵，用來控制程序中各個標(biāo)志位的改變，以供調(diào)用子程序，設(shè)計相

64、對簡單。單片機(jī)上電后所有I/0口均為高電平，故當(dāng)檢測到低電平的時候單片機(jī)就會相應(yīng)的做出動作。本設(shè)計共用到4個按鍵，它們用來改變設(shè)定時間值和溫濕度報警限值，從S3到S6分別控制溫濕度上下限值設(shè)置、數(shù)值減、數(shù)值加、時間設(shè)定。為方便程序編寫，在鍵盤電路中加上一個四輸入與門數(shù)字芯片接到單片機(jī)INT0外部中斷0引腳上，當(dāng)有按鍵按下時，數(shù)字芯片輸出端為低電平觸發(fā)單片機(jī)外部中斷，其原理圖如圖3-9所示。</p><p>　　圖

65、3-9 系統(tǒng)鍵盤電路</p><p>　　3.8 串口通信電路設(shè)計</p><p>　　串口通信可分為同步通信和異步通信，在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，主要是采用異步串行通信。在設(shè)計通信接口時，應(yīng)該采用標(biāo)準(zhǔn)接口，這樣才能夠方便而又準(zhǔn)確的把單片機(jī)和外設(shè)有機(jī)的連接起來，從而能形成一個監(jiān)測系統(tǒng)，目前異步串口通信標(biāo)準(zhǔn)有RS一232、RS一422、RS一485標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計中采用RS-232異步串口通信標(biāo)準(zhǔn)

66、，由于本設(shè)計中需要和GSM模塊串口通信，向單片機(jī)下載程序時需要和PC機(jī)通信，故在電路中加入了轉(zhuǎn)換開關(guān)電路如圖3-10所示，GRXD和GTXD代表GSM模塊上的串行接口，MRXD和MTXD代表單片機(jī)上的串行接口，具體接口在一下兩節(jié)詳細(xì)闡述。</p><p>　　圖3-10 系統(tǒng)串行接口轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　3.8.1 TC35串口通信電路設(shè)計</p><p>

67、;　　TC35串口通信主要設(shè)計內(nèi)容是單片機(jī)與TC35通信接口電路，由于采購的TC35 GSM模塊已經(jīng)設(shè)計好與外圍其它設(shè)備通信的串口電路，所以在設(shè)計中時只考慮單片機(jī)的串口通信電路即可，在設(shè)計完成時只需用一根4pin數(shù)據(jù)線連接即可。</p><p>　　3.8.2 PC機(jī)串口通信電路設(shè)計</p><p>　　PC機(jī)串口通信主要是設(shè)計內(nèi)容是單片機(jī)與PC機(jī)通信接口電路，系統(tǒng)設(shè)計里用到的是美信公司

68、生產(chǎn)的MAX232芯片，其內(nèi)部有一個電源電壓變換器，能夠把輸入的+5V電壓變換為RS232輸出電平所需的+10V 電壓，采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)值需要接+5V電壓即可。</p><p>　　MAX232芯片中有兩組電平轉(zhuǎn)換的引腳，我們這里只需使用其中一組。打頭的字母“T”表示TTL電平，“R”表示RS232電平。R1IN和R2IN表示輸入RS232電平，因此與電腦的串口相連；T1IN和T2IN表示輸入TTL電

69、平，因此與單片機(jī)相連。所以，引腳T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT為接TTL∕CMOS電平的引腳，引腳T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN為接RS232電平的引腳，電路設(shè)計如圖3-11所示。</p><p>　　圖3-11 系統(tǒng)PC機(jī)串行通信接口電路</p><p>　　3.9 系統(tǒng)電源電路設(shè)計</p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計所需要的工作電壓為+5V

70、直流電源，在系統(tǒng)電源電路設(shè)計中選用了LM2596ADJ開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器。LM2596ADJ開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性特性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為150KHz，與低頻開關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元器件。該器件僅需要4個外接元器件，可以采用通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，更加優(yōu)化了LM2596ADJ的使用，極大程度上的簡化了開關(guān)電源的設(shè)計。并且在

71、特定的輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，LM2596的輸出電壓誤差可以保證在±4%的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差保證在±15%的范圍內(nèi)，可以僅用80μΑ的待機(jī)電流實(shí)現(xiàn)外部斷電，具有外部保護(hù)電路，一個兩級降頻限流保護(hù)電路和一個在異常情況下斷電的過溫完全保護(hù)電路。固定版本輸出有3.3V、5V、12V，可調(diào)版本可以輸出小于37V的各種電壓。系統(tǒng)設(shè)計選用后者，這樣可以給系統(tǒng)提供一個相對較寬泛的直流電壓。</p><p&

72、gt;　　在本系統(tǒng)設(shè)計中輸入直流12V電壓，經(jīng)過LM2596ADJ開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器穩(wěn)壓后，調(diào)節(jié)精密電位器R16輸出系統(tǒng)需要的+5V工作電壓,其電壓調(diào)節(jié)原理公式如公式（3-1）所示。</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　系統(tǒng)額定工作電壓為5V，因此在調(diào)整完畢輸出電壓值后可以用電位器固定紅膠加以固定，使電源電路輸出更加穩(wěn)定的電壓供系統(tǒng)使用，系

73、統(tǒng)電源電路原理圖如圖3-12所示。</p><p>　　圖3-12 系統(tǒng)電源電路</p><p>　　4 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計</p><p>　　系統(tǒng)軟件號稱整個系統(tǒng)的靈魂，也是整個系統(tǒng)的軟黃金部分，沒有軟件的完美匹配就不會體現(xiàn)系統(tǒng)的價值所在，只有它的存在才能賦予系統(tǒng)生命，可想而知軟件編程在整個系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位。</p><p>

74、;　　4.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)總體研究</p><p>　　本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用C語言編寫，主要通過STC12C5A60S2單片機(jī)對DHT11溫濕度傳感器采集來的溫度進(jìn)行處理分析，送給Nokia5110 LCD屏幕顯示，若超過限制則觸發(fā)報警電路并通過西門子TC35 GSM模塊向上位機(jī)發(fā)送報警的溫濕度數(shù)據(jù)，否則每小時向上位機(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù)。時間上的信息判斷，由時鐘芯片DS1307來提供，程序中設(shè)置時鐘芯片特殊寄

75、存器07H單元的方波信號輸出功能，使芯片的第7引腳輸出1Hz的方波，接到單片機(jī)外部中斷1引腳上，即每秒觸發(fā)一次中斷，在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行時間信息的讀取、判斷。系統(tǒng)整體流程圖如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 系統(tǒng)軟件流程圖</p><p>　　4.2 顯示單元軟件設(shè)計</p><p>　　顯示單元是整個系統(tǒng)的心靈窗戶，是人機(jī)對話最直觀的窗口。Nokia

76、5110 LCD屏幕的通信協(xié)議時一個沒有輸出只有輸入的SPI協(xié)議，在系統(tǒng)顯示單元設(shè)計時，無需利用硬件SPI，只需要軟件程序模擬即可。</p><p>　　編程時首先要給LCD復(fù)位，使LCD的控制參數(shù)為初始狀態(tài)，再對LCD進(jìn)行初始化功能設(shè)定（如關(guān)顯示屏、設(shè)置為擴(kuò)充指令模式、設(shè)置電壓、溫度校正、顯示字符模式選擇、設(shè)置為基本指令、設(shè)置顯示模式、清屏、開顯示屏），因?yàn)榻油娫春?，?nèi)部寄存器和RAM的內(nèi)容是不確定的，這需要

77、一個RES低電平脈沖復(fù)位一下。當(dāng)VDD變?yōu)楦唠娖剑_(dá)到VDDmin(或更高)之后，最多100ms RST輸入低電平(電平幅度<0.3VDD)，其初始化時序如圖4-2所示。接著就可以進(jìn)行對LCD寫入要顯示的字符了，Nokia5110 LCD屏幕寫數(shù)據(jù)/命令時序如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-2 Nokia5110 LCD復(fù)位時序</p><p>　　圖4-3 SPI串行總線

78、協(xié)議—傳送一個字節(jié)</p><p>　　顯示單元軟件設(shè)計流程圖如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 顯示單元程序流程圖</p><p>　　4.3 溫濕度傳感器單元軟件設(shè)計</p><p>　　溫濕度傳感器作為系統(tǒng)設(shè)計的核心部分，系統(tǒng)設(shè)計采用三個DHT11溫濕度傳感器，巡回監(jiān)測蔬菜大棚的溫濕度。DHT11傳感器是通過奧松電子有限公

79、司開發(fā)的單總線協(xié)議和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。溫濕度傳感器需要嚴(yán)格的讀寫協(xié)議來確保數(shù)據(jù)的完整性。整個讀寫分為，上位機(jī)發(fā)送起始信號，上位機(jī)接收下位機(jī)發(fā)來的握手信號，讀‘0’，和讀‘1’四個步驟，所有的信號除主機(jī)啟動復(fù)位信號外，全部都由DHT11產(chǎn)生。</p><p>　　通過單總線訪問DHT11順序歸納如下：</p><p>　?。?）主機(jī)發(fā)開始信號；</p><p>　　

80、（2）主機(jī)等待接收DHT11響應(yīng)信號；</p><p>　?。?）主機(jī)連續(xù)接收40Bit的數(shù)據(jù)和校驗(yàn)和；</p><p><b>　?。?）數(shù)據(jù)處理。</b></p><p>　　用戶主機(jī)發(fā)送一次開始信號（低電平）DHT從低速模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號結(jié)束（拉高）后，DHT發(fā)送響應(yīng)信號，送出40Bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集，用戶可

81、以選擇讀取DHT部分?jǐn)?shù)據(jù)?？偩€的空閑狀態(tài)為高電平，主機(jī)把總線電位拉低后等待DHT響應(yīng)，主機(jī)把總線拉低必須大于18mS，保證DHT能監(jiān)測到起始信號，這也是單片機(jī)能從DHT中讀出正確數(shù)據(jù)的關(guān)鍵[2]。</p><p>　　DHT接收到主機(jī)的開始信號后，等主機(jī)開始信號結(jié)束后，DHT發(fā)送低電平響應(yīng)信號。主機(jī)發(fā)送開始信號結(jié)束后，延時等待20-40uS，讀取DHT的回應(yīng)信號，主機(jī)發(fā)送開始信號后，可以將其切換到輸入模式，或者可

82、以輸出高電平，總線由上拉電阻拉高電位其復(fù)位時序如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5 DHT11復(fù)位時序圖</p><p>　　單片機(jī)作為主機(jī)，發(fā)送開始信號后，延時等待20uS-40uS后讀取DHT的回應(yīng)信號，讀取總線為低電平，說明DHT發(fā)送響應(yīng)信號，DHT發(fā)送響應(yīng)信號后，再把總線拉高，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，每一位數(shù)據(jù)都以低電平開始，讀DHT數(shù)據(jù)流程如圖4-6所示。</p>

83、<p>　　圖4-6 讀DHT11數(shù)據(jù)流程圖</p><p>　　數(shù)字‘0’表示方法為，首先DHT把總線拉低12-12uS然后拉高，高電平保持時間在26-28uS這個范圍內(nèi)，則此比特位‘0’電平，信號‘0’時序圖如圖4-7所示。</p><p>　　圖4-7 數(shù)字‘0’時序圖</p><p>　　數(shù)字‘1’表示方法為首先DHT把總線拉低12-14uS然后拉

84、高，高電平保持時間在116-118uS這個范圍內(nèi)，則此比特位‘1’電平，信號‘1’時序圖如圖4-8所示。</p><p>　　圖4-8 數(shù)字‘1’時序圖</p><p>　　系統(tǒng)中涉及到三個溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)采集，對應(yīng)每一個傳感器的編程思路如上述所示，其軟件設(shè)計流程圖如圖4-9所示。</p><p>　　圖4-9 溫濕度采集程序流程圖</p><

85、p>　　4.4 通信單元軟件設(shè)計</p><p>　　4.4.1 通信協(xié)議設(shè)計</p><p>　　TC35 GSM模塊作為本系統(tǒng)的“外交官”，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它對外和對內(nèi)都需要有一系列的通信協(xié)議。在本設(shè)計中，下位機(jī)和上位機(jī)通信時需要將每個節(jié)點(diǎn)的溫度濕度及二者的限值發(fā)給上位機(jī)，則通信協(xié)議為：&節(jié)點(diǎn)A當(dāng)前溫度+溫度限值+當(dāng)前濕度+濕度限值#節(jié)點(diǎn)B當(dāng)前溫度+溫度限值+當(dāng)

86、前濕度+濕度限值#節(jié)點(diǎn)C當(dāng)前溫度+溫度限值+當(dāng)前濕度+濕度限值%；上位機(jī)和下位機(jī)通信時只將各節(jié)點(diǎn)設(shè)置的限值發(fā)給下位機(jī)，下位機(jī)解析收到的數(shù)據(jù)信息，將相關(guān)限值數(shù)據(jù)存儲單元的內(nèi)容進(jìn)行修改就可以了，則通信協(xié)議為：&節(jié)點(diǎn)A溫度限值+濕度限值#節(jié)點(diǎn)B溫度限值+濕度限值#節(jié)點(diǎn)C溫度限值+濕度限值%。</p><p>　　通信協(xié)議中，所有數(shù)據(jù)類型均為無符號字符型，下位機(jī)接收到數(shù)據(jù)信息解析后，需要合并數(shù)據(jù)統(tǒng)一確定系統(tǒng)限值的

87、大小?！?amp;”符號作為協(xié)議中的起始符，是濾除非上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息的關(guān)鍵，當(dāng)下位機(jī)判斷有新信息時首先判斷第一個字符是否為“&”，是的話才會解析信息中的數(shù)據(jù)，否則刪除此條信息，保證收到的新信息永遠(yuǎn)存放在SIM卡中的第一個位置；“#”符號僅用來標(biāo)記分割數(shù)據(jù)的位置，下位機(jī)對此沒過多要求；“%”符號為結(jié)束字符判斷數(shù)據(jù)信息是否結(jié)束。上位機(jī)也是如此不再過多敖述。</p><p>　　4.4.2 TC35發(fā)送接

88、收信息軟件設(shè)計</p><p>　　通信單元主要是西門子TC35 GSM模塊的軟件控制和系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理發(fā)送裝置。單片機(jī)是通過串口和TC35進(jìn)行通信的，TC35使用相對應(yīng)的AT指令來發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)，因此在軟件設(shè)計時需要對單片機(jī)的串口和TC35進(jìn)行初始化。</p><p>　　編程思路為，系統(tǒng)在上電時要對單片機(jī)串口和TC35進(jìn)行初始化，如單片機(jī)串口波特率設(shè)置，串行中斷開啟，TC35和單片機(jī)握手

89、連接，設(shè)置短信接收模式等。每當(dāng)在溫濕度傳感器將數(shù)據(jù)采集完畢時將相關(guān)數(shù)據(jù)信息存入對應(yīng)的發(fā)送字符串中，然后按照每小時、溫濕度報警時將溫濕度和限值數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，其軟件設(shè)計流程圖如圖4-10所示。</p><p>　　圖4-10 TC35串口通信程序流程圖</p><p>　　4.5 時鐘單元軟件設(shè)計</p><p>　　蔬菜溫濕度大棚中引入時鐘芯片，賦予了系統(tǒng)苛刻的

90、時間觀念，系統(tǒng)軟件設(shè)計上更得體現(xiàn)時間性。時鐘芯片選用DS1307，在I2C總線上是從器件，地址固定為“11010000”。</p><p>　　寫操作時，被控接收模式主控器件按圖4-11所示順序?qū)?shù)據(jù)寫入到DS1307寄存器或內(nèi)部RAM中。</p><p>　　圖4-11 單片機(jī)對DS1307寫時序</p><p>　?。?）START信號；</p>

91、<p>　?。?）寫地址+W（0xd0）字節(jié)，DS1307發(fā)出應(yīng)答信號（ACK）；</p><p>　　（3）寫1字節(jié)的內(nèi)存地址，DS1307時鐘芯片應(yīng)答；</p><p>　?。?）寫數(shù)據(jù)，可以寫多個字節(jié)，每當(dāng)一字節(jié)數(shù)據(jù)寫入后DS1307內(nèi)部地址指針加一，DS1307時鐘芯片應(yīng)答；</p><p>　?。?）STOP信號。</p><

92、p>　　讀操作時，被控發(fā)送模式主控器件按圖4-12所示順序?qū)S1307寄存器或內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)讀取。</p><p>　　圖4-12 單片機(jī)對DS1307寫時序</p><p>　?。?）START信號；</p><p>　　（2）寫地址+W（0xd1）字節(jié)，DS1307發(fā)出應(yīng)答信號（ACK）；</p><p>　?。?）讀數(shù)據(jù)，可以讀

93、多個字節(jié)，讀取數(shù)據(jù)的DS1307內(nèi)部地址由上次寫操作或讀操作決定，讀取每一字節(jié)數(shù)據(jù)DS1307內(nèi)部地址計數(shù)器自動加一，主器件應(yīng)答，讀取最后一字節(jié)時主器件回應(yīng)NACK信號（不應(yīng)答）；</p><p>　?。?）STOP信號。</p><p>　　根據(jù)上述讀寫操作順序，按照繪制如圖4-13所示的程序流程圖進(jìn)行軟件程序設(shè)計。</p><p>　　圖4-13 DS1307讀

94、寫時間程序流程圖</p><p>　　4.6 鍵盤單元軟件設(shè)計</p><p>　　在系統(tǒng)設(shè)計中用到了四個無鎖按鍵，分別對應(yīng)時間設(shè)置、數(shù)據(jù)加、數(shù)據(jù)減和溫濕度設(shè)置。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計時上加上了雙四輸入與門數(shù)字芯片，這樣是為節(jié)省單片機(jī)運(yùn)行內(nèi)存和方便程序編寫，如果在程序主函數(shù)中不方便加入鍵盤掃描子函數(shù)，可以在外部中斷服務(wù)程序中編寫鍵盤掃描程序，本系統(tǒng)設(shè)計中鍵盤掃描判斷程序在主函數(shù)程序總實(shí)現(xiàn)。鍵盤

95、掃描程序流程圖如圖4-14所示，由于未設(shè)置確定按鍵，會出現(xiàn)按鍵邏輯混亂現(xiàn)象，所以在鍵盤掃描程序中設(shè)置相對應(yīng)的標(biāo)志位來互鎖對應(yīng)的按鍵，比如在時間設(shè)置按鍵按下時，不希望溫濕度設(shè)置按鍵按下有響應(yīng)，因此也加入標(biāo)志位來互相限制。除此之外還有按鍵消抖處理，消除按鍵在按下時的高頻抖動防止程序跑飛出現(xiàn)錯誤。</p><p>　　圖4-14 鍵盤掃描程序軟件</p><p>　　5 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試&l

96、t;/p><p>　　溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試包括系統(tǒng)硬件裝配和系統(tǒng)軟件調(diào)試，設(shè)計內(nèi)容涉及到硬件和軟件的設(shè)計開發(fā)環(huán)境，詳細(xì)內(nèi)容在一下兩節(jié)中具體闡述。</p><p>　　5.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)硬件裝配</p><p>　　溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)硬件調(diào)試包括制定系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容整體結(jié)構(gòu)、元器件選型、系統(tǒng)硬件電路原理圖設(shè)計、系統(tǒng)硬件電路PCB設(shè)計及元器件焊接整機(jī)測試。其中系統(tǒng)原理圖設(shè)計最為

97、關(guān)鍵，它的設(shè)計與否直接關(guān)系到系統(tǒng)性能好壞。電路原理圖用于將該電路所用的各種元器件用規(guī)定的符號表示出來，并用連線畫出他們之間的連接情況，在各元器件旁邊還要注明其規(guī)格、型號和參數(shù)。</p><p>　　5.1.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計環(huán)境</p><p>　　本系統(tǒng)電路原理圖和PCB圖是利用澳大利亞Altium公司研發(fā)的Altium Designer13計算機(jī)輔助設(shè)計軟件來進(jìn)行設(shè)計的，如圖

98、5-1所示。</p><p>　　圖5-1 硬件電路開發(fā)軟件</p><p>　　硬件設(shè)計流程如下所描述：</p><p>　　首先，創(chuàng)建系統(tǒng)PCB工程、原理圖、PCB圖、加載元器件庫、加載元器件封裝庫，如圖5-2所示；</p><p>　　圖5-2 系統(tǒng)原理圖文件</p><p>　　然后，在原理圖工作區(qū)繪制原理圖，

99、原理圖繪制完畢時，為每個元器件添加標(biāo)號和加載封裝，如圖5-3所示；</p><p>　　圖5-3 元器件添加封裝</p><p>　　其次，將加載完封裝后的原理圖導(dǎo)入PCB，對元器件進(jìn)行合理布局后并按照相應(yīng)的電氣規(guī)則手動完成PCB布線和處理好PCB板細(xì)節(jié)問題（如頂層、底層覆銅，焊盤添加淚滴等），2D效果如圖5-4所示，3D效果如圖5-5所示；</p><p>　　圖

100、5-4 PCB 2D效果圖</p><p>　　圖5-5 PCB 3D效果圖</p><p>　　最后，導(dǎo)出系統(tǒng)電路原理圖文件、BOM表、網(wǎng)絡(luò)表、PCB圖文件、光繪文件。</p><p>　　在系統(tǒng)硬件電路設(shè)計完成后，將光繪文件發(fā)送至PCB生產(chǎn)廠家進(jìn)行生產(chǎn)制作，系統(tǒng)PCB制作后的實(shí)物圖如圖5-6所示。</p><p>　　圖5-6 PCB制作

101、完成實(shí)物</p><p>　　5.1.2 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)整機(jī)裝配</p><p>　　溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)整機(jī)裝配是在PCB板制作完成后進(jìn)行元器件焊接總裝的一個過程，由于系統(tǒng)電路設(shè)計多采用標(biāo)貼器件，所以在焊接上帶來了部分難度。焊接時有規(guī)范的技巧和順序，本設(shè)計中含有0805封裝的標(biāo)貼發(fā)光二極管，體積大小如同芝麻粒，焊接時必須防止靜電擊穿，焊接時用到的工具有靜電恒溫烙鐵、電鑷子、熱風(fēng)槍、助焊劑、焊

102、錫絲、偏口鉗，焊接現(xiàn)場如圖5-7所示。</p><p>　　圖5-7 系統(tǒng)電路板焊接現(xiàn)場</p><p>　　功夫不負(fù)有心人，焊接完成的硬件電路如圖5-8所示，焊接完成后用放大鏡檢查各焊盤，以防虛焊、漏焊、脫焊，最終按照系統(tǒng)電路原理圖利用數(shù)字萬用表檢驗(yàn)重要器件電路正確與否。</p><p>　　圖5-8 系統(tǒng)電路板焊接裝配完成實(shí)物</p><p&

103、gt;　　5.2 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件調(diào)試</p><p>　　系統(tǒng)設(shè)計到這里算是進(jìn)入最后一道程序，也是至關(guān)重要的一步，是給予硬件靈魂的關(guān)鍵。軟件調(diào)試分為開發(fā)環(huán)境選擇和軟件編寫完成后的總調(diào)，需要軟硬件完美匹配，在一下兩小節(jié)中對軟件調(diào)試作詳細(xì)說明。</p><p>　　5.2.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境</p><p>　　溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境采用美國Ke

104、il Software公司研發(fā)的Keil μVision4軟件如圖5-9所示，軟件功能強(qiáng)大完美開發(fā)C51內(nèi)核的單片機(jī)。</p><p>　　圖5-9 系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境</p><p>　　本系統(tǒng)軟件采用模塊化編程設(shè)計，設(shè)計過程中更方便功能函數(shù)調(diào)用，但變量設(shè)置較為苛刻，入口、出口參數(shù)必須準(zhǔn)確定義。軟件設(shè)計流程如下所示：</p><p>　　首先，創(chuàng)建系統(tǒng)軟件工程，選擇

105、開發(fā)的芯片，創(chuàng)建個模塊程序.c和.h文件，如下圖5-10所示；</p><p>　　圖5-10 系統(tǒng)模塊程序</p><p>　　然后，按照上章節(jié)設(shè)計的軟件流程圖編寫各功能模塊程序代碼，在需要的代碼為之加上注釋說明，如圖5-11所示；</p><p>　　圖5-11 系統(tǒng)程序代碼注釋</p><p>　　最后，編寫完全部程序代碼，查找語法錯誤

106、和邏輯功能錯誤，通過Keil軟件的編譯器進(jìn)行編譯、連接，最后將生成的機(jī)器碼.hex文件，如圖5-12所示。</p><p>　　圖5-12系統(tǒng)軟件機(jī)器碼設(shè)置窗口</p><p>　　5.2.2 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件總調(diào)</p><p>　　系統(tǒng)軟件總調(diào)是在軟件編寫完成時將生成的.hex文件燒錄到單片機(jī)中進(jìn)行系統(tǒng)功能調(diào)試。在本設(shè)計中采用模塊化編程，是在每一功能模塊編寫

107、完成后燒錄到單片機(jī)中逐步驗(yàn)證，測試完每個功能模塊程序后進(jìn)行軟件總調(diào)，這樣可以大大減小工作量，可以更快的排除錯誤的程序代碼及時改寫程序代碼。最終調(diào)試好程序，導(dǎo)出程序代碼。</p><p>　　調(diào)試時不時遇到困難，調(diào)試DS1307時鐘模塊程序時，由于程序?qū)ψx出的時間數(shù)據(jù)信息解析錯誤導(dǎo)致，LCD屏幕上顯示亂碼，經(jīng)過細(xì)心查閱程序代碼找出錯誤之處及時修正。GSM模塊作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的紐帶也是難點(diǎn)，光是AT指令說明就一正本書

108、，程序設(shè)計時需要不斷翻閱資料手冊，調(diào)試時單片機(jī)對接收到的信息無法正確提取，導(dǎo)致溫濕度上下限設(shè)置頻繁出錯，系統(tǒng)邏輯錯誤，程序跑飛，經(jīng)過信心查閱找出錯誤代碼進(jìn)行及時修正。最后所有功能模塊組合到一起時，由于考慮不太全面在中斷優(yōu)先級定義時功能模塊之間出現(xiàn)沖突，導(dǎo)致系統(tǒng)程序容易跑飛或無法正常運(yùn)行，最終調(diào)整各程序模塊之間的邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)功能任務(wù)書功能，如圖5-13所示。</p><p>　　圖5-13 蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)

109、調(diào)試完成</p><p><b>　　6 結(jié)論</b></p><p>　　本系統(tǒng)可以對蔬菜大棚進(jìn)行溫濕度測量，將當(dāng)前溫濕度數(shù)據(jù)顯示在LCD屏幕上，同時LCD屏幕上還會顯示時間信息。如果溫濕度超出了設(shè)定的上下限，將進(jìn)行報警。溫度回到限定值內(nèi)后，停止報警。系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測蔬菜大棚溫濕度數(shù)據(jù)，并且每個小時通過GSM模塊向上位機(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù)。可以通過按鍵設(shè)置時間信息和溫濕度限